Ueber Pressungsverluste in Luftleitungen für Hohöfen. Mit Abbildungen auf Taf. VI [c.d/3]. Ueber Pressungsverluste in Luftleitungen für Hohöfen. Sämmtliche Hohofenanlagen, vorzüglich aber diejenigen älterer Construction, haben mit mehr oder weniger bedeutenden Pressungsverlusten in ihren Luftleitungen zu kämpfen. Ein Manometer auf dem Düsenstock zeigt stets weniger Druck als dasjenige im Maschinenhaus oder auf dem Regulator. Ja, es ist keine Seltenheit, daß das Manometer an der Maschine 0k,35 Ueberdruck auf 1qc zeigt, während effectiv mit 0k,20 in den Ofen geblasen wird. Die von der Gebläsemaschine geleistete Arbeit wird also nur zum Theil nutzbringend gemacht. Berechnet man, wie hoch sich der Verlust das Jahr hindurch beläuft, so wird man unwillkürlich dazu verleitet, den Ursachen desselben etwas genauer nachzuforschen. Wir finden eine wesentliche Vermehrung der Pressungsverluste seit Anwendung der erhitzten Gebläseluft. Wie so häufig bei Einführung von Neuerungen, die uns fertig von Anderen überkommen und an und für sich wesentliche Vortheile versprechen, manche Verhältnisse, welche mit diesen Neuerungen in Wechselbeziehung treten und nach ihnen abgeändert werden müßten, unberücksichtigt geblieben sind, so geschah es auch hier. Die Pressungsdifferenz zwischen dem Ort, wo die Luft in eine Leitung eintritt, und demjenigen, wo sie dieselbe wieder verläßt, kann drei verschiedene Ursachen haben: Fehlerhafte Querschnittsverhältnisse, Reibung und Undichtigkeiten. Besprechen wir sie der Reihe nach und zwar jede unabhängig von den beiden anderen. Unsere Gebläsemaschinen liefern wegen des alternirenden Kolbenganges die Luft stoßweise. Um diese Stöße in einen möglichst gleichmäßigen Luftstrom zu verwandeln, läßt man die von der Maschine kommende Luft in einen Sammelraum eintreten, in Gestalt eines großen Kessels aus Eisenblech; letzterer, unter dem Namen Wind- oder Druckregulator bekannt, befindet sich zwischen der Gebläsemaschine und dem Hohofen, und man kann ihn mit Recht als die Quelle der Luftentnahme bezeichnen, weil sich in ihm die Luft in demselben Dichtigkeitszustande befindet, in welchem sie bei rationellem Betrieb zur Verwendung kommen sollte. A) In Figur 42 bezeichne r den Regulator im Querschnitt, e seine Verbindung mit der Maschine und a die Oeffnung, durch welche die Luft aus ihm entweicht. Wird die Gebläsemaschine in Thätigkeit gesetzt, so ist die Pressung, welche dadurch in r entsteht, eine Function von der durch die Maschine in der Zeiteinheit gelieferten Luftmenge und dem Querschnitt der Oeffnung a. Bleibt die gelieferte Luftmenge constant, was wir für die Dauer unserer Betrachtungen beibehalten wollen, so steigt und fällt die Pressung im umgekehrten Verhältniß mit der Weite von a. B) Leitet man die Luft von a (Fig. 43) aus durch eine cylindrische Röhre bc vom Querschnitt der Oeffnung a weiter, so herrscht in jedem Theile der Röhre dieselbe Pressung wie vordem im Regulator. Denn so lange die Luft von der Röhre umschlossen ist, befindet sie sich unter denselben mechanischen Einflüssen wie beim Austritt aus a. C) Wird die Röhre bc bei c verengt (Fig. 44), wird also der Querschnitt bei c kleiner als bei a, so tritt eine gleichmäßige Steigerung der Pressung in der ganzen Ausdehnung von r, bc und de ein; da die durch a in die Röhre eintretende Luftmenge unverändert bleibt, so muß sich dieselbe, um durch die engere Oeffnung c zeitig entweichen zu können, zunächst bei c verdichten; diese Verdichtung wirkt aber, wie bei allen gasförmigen und tropfbarflüssigen Körpern, rückwärts bis zur Quelle, als welche wir ja den Regulator betrachten wollen. Dieselbe Pressung entsteht auch aus dem schon oben angeführten Grunde im Innern der cylindrischen Röhre de. Es tritt also in Bezug auf die Pressung genau dasselbe Verhältniß ein, als wenn die Rohrleitung nur die Weite hätte, wie sie in Figur 44 punktirt ist. D) Denken wir uns den umgekehrten Fall, daß die Röhre bc sich bei c erweitert (Fig. 45), so dehnt sich die Luft auf dem Wege von c nach d in Folge des Bestrebens, welches allen gasförmigen Körpern eigen ist, aus, verliert also an Pressung, und dies um so mehr, je größer der Unterschied in den Querschnitten von de und bc ist. Die in r und bc herrschende Pressung ist also größer als diejenige in de. Alle auf die Pressung bezüglichen Erscheinungen, bei Anwendung kalter Gebläseluft, lassen sich, soweit sie überhaupt auf Querschnittsverhältnisse zurückzuführen sind, aus Combinationen der vorstehend angeführten Fälle erklären. Für die Praxis sind die beiden nachstehenden am wichtigsten. E) Die Röhre bc sei bei c verengt, wie in Fig. 44, erweitere sich aber wieder in ihrer Verlängerung de, welche bei e abermals verengt ist. Ist nun der Querschnitt bei c kleiner als bei e (Fig. 46), so braucht die Luft, um bei e austreten zu können, sich nicht bis zu dem Grade zu verdichten wie bei c; in dem Theile de der Leitung ist daher die Pressung geringer als in bc. Ist anderseits e kleiner als c (Fig. 47), so findet die größere Pressung bei e statt, welche, über c hinaus rückwärts wirkend, die gleiche Pressung erzeugt bis zum Regulator. Der Effect ist also derselbe, als wenn die ganze Leitung nur die in Figur 47 punktirte Weite hätte. Hieraus folgt, daß für die Pressung im Regulator die engste Stelle der Luftleitung maßgebend ist. Es tritt also nur dann kein Pressungsverlust ein, wenn in der ganzen Leitung zwischen Regulator und Hohofen keine Stelle vorhanden, die enger ist als die Summe der Düsenquerschnitte. Gehen wir nun über zur Betrachtung der Verhältnisse, welche eintreten, wenn man die Gebläseluft auf ihrem Wege vom Regulator zum Hohofen erhitzt. Hier haben wir zwei Fälle zu unterscheiden, von denen indessen nur der zweite in der Praxis zutrifft. Entweder die Luft kommt mit derselben Temperatur, bis zu welcher sie erhitzt worden ist, zum Hohofen, oder sie erleidet unterwegs eine Temperaturabnahme. Untersuchen wir zunächst den ersten Fall. Hierbei kommt in Betracht, daß die Luft beim Erwärmen das Bestreben zeigt, sich bedeutend auszudehnen, beispielsweise bei 300° schon auf das doppelte Volum. Wird sie nun an dieser Ausdehnung gehindert, dadurch daß sie sich in einem geschlossenen Raume befindet, so steigt natürlich ihre Pressung. A) Wenn man in Figur 43 die durch die Röhre bc passirende Luft an irgend einer Stelle erhitzt, so tritt also derselbe Fall ein, als wenn man ohne Erhitzung die Röhre verengt, wie dies in Fig. 44 dargestellt ist, und es entsteht in der ganzen Leitung von r bis c eine gleichmäßige Steigerung der Pressung. B) Erhitzt man in Fig. 44 die Röhre bc, so entsteht, außer der durch die Verengung bei c schon bedingten, noch eine gleichförmige Pressungszunahme von r bis e; dasselbe findet statt beim Erhitzen einer beliebigen Stelle von de. C) Erhitzt man die Röhre de in Fig. 46, so wird je nach der Temperatur der durch die Erweiterung der Röhre bei d entstandene Pressungsverlust entweder vermindert, ganz aufgehoben, oder es entsteht sogar eine Pressungszunahme, als ob die Röhre die Gestalt der Figur 47 annähme. Dasselbe Resultat erreicht man durch Erwärmen der Röhre de in Fig. 46. Wir sehen also, daß die Erhitzung der Gebläseluft an und für sich, weil sie die Pressung stets bis zur Düse steigert, etwaige Pressungsdifferenzen nie vergrößert, sondern unter Umständen sogar vermindert oder ausgleicht. Gehen wir schließlich über zu dem Verhältniß, wie es in der Wirklichkeit stattfindet. Es ist selbstredend, daß die Luft in dem Theile der Leitung, welcher sich zwischen der erhitzten Stelle und dem Orte befindet, wo sie die Leitung verläßt, eine Abkühlung erleidet. Diese Abkühlung veranlaßt ein Zusammenziehen der Luft. Hieraus folgt, daß, wenn der Querschnitt der Leitung sich während der Abkühlung nicht ändert, eine Abnahme der Pressung eintritt. Hiervon ausgehend, finden wir die Erklärung für nachstehend aufgeführte Erscheinungen. A) Wird Luft durch die cylindrische Röhre bc (Fig. 48) geleitet und auf ihrem Wege von m nach n erhitzt, während sie sich von n bis o allmälig wieder abkühlt, so entsteht durch die Erhitzung eine gleichmäßige Pressungszunahme von n bis zum Regulator, während in der Richtung von n nach o die Pressung sich fortschreitend vermindert. Das Resultat ist also das gleiche, wie wenn man bei kalter Luft der Röhre die in Fig. 48 einpunktirte Form gibt, wobei αβ dem Grade der Erhitzung und γδ der auf dem Wege von n nach o erfolgten Temperaturabnahme entspricht; diese Form aber ist identisch mit Fig. 45. B) Verfährt man bei einer an einem Ende verengten Röhre, wie vorstehend angegeben, so ergibt sich Folgendes: Wie wir wissen, ist bei kalter Luft die Wirkung des Apparates in Fig. 49 dieselbe, wie die einer cylindrischen Röhre vom Durchmesser der Oeffnung c. Wir haben also für den vorliegenden Fall nur nöthig, das vorher in Fig. 48 mit der Röhre bc Geschehene jetzt auf eine cylindrische Röhre mit dem bezeichneten Durchmesser anzuwenden. Hierdurch gelangen wir zu dem Resultat, wie es bei kalter Luft eine Röhre von der in Figur 49 einpunktirten Form liefert, wobei die Querschnitte dem Grade der Erhitzung und der darauf folgenden Wiederabkühlung der Luft entsprechen müssen. Es ist einleuchtend, daß alle denkbaren Fälle analog mit den angeführten zu behandeln sind, um den Effect des Erhitzens und darauffolgenden Wiederabkühlens der Gebläseluft graphisch darzustellen. Die für die Praxis wichtigsten Fälle sind in Fig. 50 und 51 wiedergegeben. Alle diese Darstellungen zeigen, mag die Leitung construirt sein, wie sie wolle, eine Erweiterung nach der Düse zu. Hieraus folgt, daß eine Abkühlung der Luft in der Leitung stets von Pressungsverlust begleitet ist. Befindet sich in der Leitung eine Stelle, welche enger ist als die Summe der Düsenquerschnitte, wodurch also schon bei kalter Luft ein Pressungsverlust entsteht, so wird dieser Verlust bei erhitzter Luft je nach der Größe der Temperaturabnahme zwischen Heizapparat und Düse noch vermehrt. Fassen wie nun alles über Querschnitte Gesagte zusammen, so kommen wir zu folgenden Schlüssen: Man mache keine Stelle der Luftleitung enger als die Summe der Düsenquerschnitte und vermeide jede Temperaturabnahme zwischen Heizapparat und Hohofen; letzteres läßt sich in der Praxis zwar nie vollständig, doch annähernd erreichen. Man stelle den Heizapparat so nahe an den Hohofen wie möglich und umhülle die dazwischenliegende Leitung in dicker Schicht mit schlechten Wärmeleitern; geschieht dies schon zu dem einen Zwecke, möglichst wenig Temperatur zu verlieren, so sei man in dieser Beziehung um so vorsichtiger, als damit zugleich der andere Zweck erreicht wird, die Pressung zu conserviren. Wie auf jede körperliche Bewegung, so übt auch auf diejenige der Luft in Rohrleitungen die Reibung einen wesentlichen Einfluß aus. Bewegt sich eine Luftsäule in einem ringförmig geschlossenen Raum, so tritt einmal, da wo die einzelnen Lufttheilchen mit der Umfassung in Berührung treten, Reibung ein, außerdem aber kann dies der Fall sein im Innern der Luftsäule selbst, durch Verschiebung der Lufttheilchen unter sich. Der hemmende Einfluß der Reibung ersterer Art auf die Bewegung ist gewöhnlich der überwiegende. Wie bekannt, wirkt die Reibung, indem sie die Bewegung in Wärme übersetzt, die ausübende Kraft also in anderer Form zur Erscheinung bringt. Die Thätigkeit der Gebläsemaschine erzeugt zunächst in der Luftleitung einen gewissen Grad von Geschwindigkeit bezieh. Pressung, welche in dem Maße, wie die Luft sich reibt, theilweise aufgehoben wird, d.h. ein Theil dessen, was sich vordem als Pressung geäußert hat, wird während des Durchganges der Luft durch die Leitung nach und nach in Wärme verwandelt; der Zweck, zu welchem die Gebläsemaschine thätig war, geht also zum Theil durch die Reibung verloren. Wird Luft aus dem Regulator r (Fig. 52) durch die Leitung bc geblasen, so ist zunächst einleuchtend, daß erstere sich an den Wänden der Leitung um so weniger reiben wird, je weniger Unebenheiten diese Wände darbieten; hieraus folgt, daß das Material, aus welchem die Leitung hergestellt wird, möglichst glatt bearbeitet werden muß; ferner ist natürlich, daß die Reibung an den Wänden um so geringer sein wird, je kleiner das Verhältniß des Umfanges zum Querschnitt der Leitung ist. Die günstigste Form für Luftleitungen ist, wie bekannt, die cylindrische; man mache die Leitungen so weit, wie es die übrigen Constructionsverhältnisse gestatten. Hierdurch wird erreicht, daß die Geschwindigkeit der Luft mäßiger ist. Bei dem großen Verhältniß der von den Hohöfen in der Zeiteinheit gebrauchten Luftmengen zur Weite der Leitungen hat die Geschwindigkeit einen ganz bedeutenden Einfluß auf die Reibung; je mehr man die erstere vermindert, um so geringer wird letztere. Für kalte Luft ist, wie sich aus Vorstehendem ergibt, eine cylindrische Form der Leitung, mit unveränderter Weite zwischen Regulator und Düse, die günstigste. Wird die Luft unterwegs erhitzt, so ändert sich dieses Verhältniß. Da die Luft sich durch die Erhitzung ausdehnt, so vermehrt sich, wenn man den Querschnitt der Leitung nicht gleichzeitig vergrößert, mit der Pressung auch die Geschwindigkeit und in Folge dessen die Reibung. Wird in Figur 53 die Luft in der Röhre bc bei α erhitzt, so muß man deshalb auch von da ab die Röhre erweitern und zwar in demselben Verhältniß, wie der Raum größer wird, den die erhitzte Luft, ohne ihre Pressung zu vermehren, beansprucht. Hierdurch erzielt man, daß die Geschwindigkeit trotz der Erhitzung dieselbe bleibt. Da eine Verminderung der Geschwindigkeit durch Zusammenziehen der Luft in Folge etwaiger darauffolgender Abkühlung die Reibung vermindert, so braucht hierauf keine Rücksicht genommen zu werden. Man läßt der Leitung die ihr nach dem Erhitzen gegebene Weite bis zu der Stelle, wo der Wind sich nach den einzelnen Düsen abzweigt. Um die Verschiebung der einzelnen Lufttheilchen unter sich zu vermeiden, ist es am zweckmäßigsten, wenn die Luft nicht erhitzt wird, der Leitung die Form eines geraden Cylinders wie in Fig. 52 zu geben. Die ganze Luftsäule verschiebt sich in diesem Falle einfach an den Wänden und in ihrem Innern herrscht möglichste Ruhe. Wird die Luft erhitzt, so ist auch wieder die Form Figur 53 die vortheilhafteste, weil die Lufttheilchen der durch die Erhitzung veranlaßten Ausdehnung ungehindert folgen können. Errichtet man in Fig. 52 an irgend einer Stelle α der Röhre bc eine Wand, welche die Röhre theilweise schließt, so wird beim Anprall der von r herkommenden Luft gegen dieselbe ein Wirbel entstehen, also eine Bewegung der Lufttheilchen in sich. Die ähnliche Erscheinung tritt ein, wenn man der Leitung die in Fig. 54 angedeutete Winkelform gibt. Der Stoß der Luftsäule bc gegen die Fläche αβ erzeugt eine plötzliche Störung im Fortschreiten der Luftmasse, Bewegung der einzelnen Theilchen in sich und in Folge dessen Reibung. Will man Aenderungen in der Richtung eintreten lassen, so wähle man dazu einen rechtwinkligen Krümmer (Fig. 55). Von allen Formen, die man Leitungen geben kann, ist, wenn die Richtung geändert werden soll, die Bogenform die geeignetste, weil bei ihr jeder plötzliche Uebergang vermieden wird. Verengungen in der Leitung, dort wo sie aus besonderen Gründen angebracht werden müssen, mache man deshalb nie plötzlich (Fig. 56), sondern stets, wie in Fig. 57 angegeben. Dort, wo die einzelnen Rohrstücke zusammenstoßen, sorge man dafür, daß die Stöße vollständig glatt sind, daß also von keinem Rohr innerlich Theile gegen das andere vorstehen. So einfach und selbstverständlich viele der hier gegebenen Vorschriften erscheinen, so sind doch bis jetzt überall mehr oder weniger grobe Verstöße gegen dieselben gemacht worden. Fast alle bis jetzt angewendeten Röhrenapparate sind damit behaftet. Sowohl auf die Querschnitte, als auf die zweckmäßigste Form bei Aenderung der Richtung ist zu wenig Rücksicht genommen worden, woher es kommt, daß die Luft, vor und hinter dem Apparat gemessen, Pressungsdifferenzen zeigt, welche bei richtiger Construction vollständig hätten vermieden werden können. Als letzten Grund von Pressungsdifferenzen sind anzuführen die in den Leitungen vorkommenden Undichtigkeiten. Bei Anwendung kalter Gebläseluft lassen sich dieselben leicht vermeiden. Die oben empfohlene cylindrische Form für Luftleitungen ist auch gleichzeitig die zweckmäßigste in Bezug auf Widerstandsfähigkeit gegen inneren Druck. Man hat also nur nöthig, das Material und die Stärke der Wandungen so zu wählen, daß sie dem zu erzeugenden inneren Drucke nicht nachgeben, und die ganze Leitung so anzulegen, daß sie keinem äußern Druck ausgesetzt ist. Der Vermeidung von Undichtigkeiten bei Anwendung erhitzter Gebläseluft ist weit schwieriger nachzukommen. Hierbei hat man zu unterscheiden die directe Wirkung des Feuers auf den im Innern des Heizapparates befindlichen Theil der Leitung und die durch Temperaturdifferenzen in allen Körpern entstehende Formveränderung. Bei den hohen Temperaturgraden, bis zu welchen man in der Neuzeit die Gebläseluft erhitzt, sind leider die aus Eisen construirten Röhrenapparate nicht von langer Dauer, selbst wenn man das beste Material zu ihrer Herstellung verwendet. Die seit einigen Jahren eingeführten Apparate aus feuerfesten Steinen mit Blechmantel sind dagegen in dieser Beziehung unverwüstlich. So sehr man sich bis jetzt vielerseits gegen die Einführung derselben sträubt, so wird doch ihre Verbreitung nur eine Frage der Zeit sein können, weil zu unserer Concurrenzfähigkeit mit dem Auslande eine möglichste Brennmaterialersparniß ihr gut Theil beiträgt, diese aber durch stärkeres Erhitzen der Gebläseluft, als dies bisher geschehen, erreichbar ist. Die Formveränderung der Körper durch Temperaturdifferenzen besteht bekanntlich in der Ausdehnung beim Erhitzen und Zusammenziehen beim Abkühlen; letzteres geschieht indessen nur theilweise, weil alle Körper, diesen Temperatureinflüssen unterworfen, eine bleibende Verlängerung zeigen. Hierzu kommt, daß bei häufigem Erhitzen und Wiederabkühlen in vielen Substanzen eine Veränderung der Molecularzusammensetzung eintritt, welche ein Brüchigwerden derselben bewirkt. Als brauchbarstes Material für Warmwindleitungen, im Verhältniß zum Kostenpreis, hat sich bis jetzt das Schmiedeisen erwiesen, und es ist zweckmäßig, daraus die ganze Leitung vom Apparat bis zur Düse herzustellen. Röhren aus Eisenblech mit vernieteten und verstemmten Stößen sind allen anderen vorzuziehen, gußeiserne Röhren mit Muffen- oder Flanschenverbindung dagegen für hohe Temperaturen absolut zu verwerfen. In Bezug auf die Construction ist zu bemerken, daß kein Theil der Luftleitung, soweit wie sie erhitzt ist, weder innerhalb noch außerhalb des Apparates (bei Annahme von Röhrenapparaten) an beiden Enden fest liegen darf, weil sonst in Folge der Formveränderungen unfehlbar Undichtigkeiten entstehen. Um die Luft gegen Abkühlung zu schützen, können die Blechrohre entweder äußerlich mit schlechten Wärmeleitern bekleidet, oder, wie dies jetzt schon häufig geschieht, innerlich mit feuerfesten Steinen gefüttert werden. Wesentlich ist es ferner, der Leitung eine solche Unterlage zu geben, daß sie frei den Formveränderungen folgen kann und sie überirdisch derart aufzuhängen, daß man stets ihre ganze Oberfläche überblicken und alle Stellen derselben zum Zwecke einer etwa vorkommenden Reparatur erreichen kann. Schließlich sei hier bemerkt, daß alle im Laufe dieser Abhandlung mitgetheilten Erfahrungen auf experimentalem Wege durch den Verfasser gemacht worden sind, und daß es ihm stets gelungen ist, bei praktischer Anwendung derselben Temperaturdifferenzen bis auf ein fast unmeßbares Minimum zu vermeiden. Bei neuen Anlagen bietet dies, wenn man alle einschlägigen Factoren im Auge behält, nicht die geringste Schwierigkeit. – r.